大跨度建筑结构选型的关键因素研究

摘要：

大跨度构造是近年来在全世界越来越风行的新型构造，它开展迅速，应用广泛。本文在介绍了大跨度的根本信息后，主要研究的是大跨度建筑构造选型的两方面关键要素——根本要素和深入研究要素。从这两方面仔细分析构造选型的重要切入点与选择理由。

根本要素主要是各种大跨度的外表比拟浅显的特点与它所对应的建筑功能因素，是构造选型的根底。深入因素是进一步完善选型的更近一步研究，只有两者都深入了解了，才能真正理解大跨度建筑构造选型的要点，做到建筑与构造的和谐统一。

关键词：大跨度 构造选型 影响因素 美观 经济 合理

引言

大跨空间构造近年来在全球开展迅速，构造形式丰富多样，技术水平也在不断提高。我国大跨度空间构造的根底原来比拟薄弱，但随着国家经济实力的增强和社会开展的需要，近年来也取得了比拟迅猛的开展，并且国内也开展了大跨度空间构造的一系列具有较高学术价值的研究工作。

大跨度构造属于空间构造，所谓空间构造，其形状呈空间状，并同时具有三维受力特性，所以大跨度构造通常是比拟复杂而多样的。但是，空间构造往往比平面构造更美观、经济和高效，更能满足人类不断追求改善与扩大其生活空间的要求。于是空间构造建造及其所采用的技术往往反映了一个国家建筑技术的水平，一些规模宏大、形式新颖、技术先进的大型空间构造也成为一个国家经济实力与建筑技术水平的重要标志。

凡此种种都决定了大跨度构造选型工作是很重要并且与国家开展息息相关的。而大跨度构造选型的不仅仅是要了解各种构造的分类及特点，仔细把握相关构造选型的关键因素，并且能使各因素协调统一，达成最正确方案才是最重要的。

大跨度构造

在建筑构造上来说，大跨度建筑通常是指跨度在30m以上的建筑。民用建筑中主要用于影剧院、体育场馆、展览馆、大会堂、航空港以及其他大型公共建筑，而工业建筑中那么主要用于飞机装配车间、飞机库和其他大跨度厂房。

大跨空间构造的类型和形式十分丰富多彩，通常将空间构造按形式分为五大类，它们特点应用各有特点，我以表格的方式对它们进展了总结与比照： 名称 定义 网架 由多根杆件按照某种规律的几何图形通过节点连接起来的空间构造 跨度 特点 主要应用 大中小 传力途径简捷，重量轻、刚度大、最为广泛 均适用 抗震性能好施工简便， 生产效率高，平面布置灵活， 造型轻巧，美观 网壳 薄壳 曲面形网格构造称为网壳构造，有单层网壳和双层网壳之分。 壳体构造 (学术上把满足t／R≤1／20的壳体定义为薄壳)。 悬索构造是以能受拉的索作为根本承重构件，并将索按照一定规律布置所构成的一类构造体系 以性能优良的柔软织物为材料,由膜内空气压力支承膜面，形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的构造体系。 较大 杆件单一，受力合理，跨越能力大，体育场 安装简便，经济指标好， 会展中心 造型丰富多彩 承载性能很好 充分发挥材料的潜力 强度高、刚度大、材料省 经济合理 不适用体育馆与影剧院 不如网壳 悬索 很大 不出现弯距和剪力效应，充分利用桥梁 钢材强度，形式多样，布置灵活，体育馆 能适应多种建筑平面，安装简便 但分析设计理论与常规构造相比拟为复杂 自重轻、跨度大；建筑造型自由丰富；施工方便；具有良好的经济性和较高的平安性；透光性和自结性好；耐久性较差。 无特别针对的应用 膜 随意性较大 从上述表格中我们能看到各种构造不同的优势与劣势，只有将它们合理的运用起来，才能到达技术与艺术都最适宜的构造选择，甚至创造出完美的建筑。

大跨度选型根本因素

大跨度建筑迅速开展的原因一方面是由于社会开展使建筑功能愈来愈复杂，需要建造高大的建筑空间来满足群众集会、举行大型的文艺体育表演、举办盛大的各种博览会等；另一方面那么是新材料、新构造、新技术的出现，促进了大跨度建筑的进步。所以大跨度构造得开展是在构造受力合理，造型美观等诸多因素的限制下开展起来的。

而大跨空间构造选型是在建筑方案有关特征参数〔如地点、位置、规模、高度、跨度、平立面形状、功能空间的大小分布等〕初步确定以后或确定过程中， 在建筑构造施工图设计之前与建筑方案扩出阶段穿插进展的一项决策工作。

经过课程学习和一系列的文献的阅读，在综合了以上大跨度构造的介绍及分析，最根本的选型根底更肯定是上述表格，建筑物的功能要求才是是建筑物设计中应考虑的首要因素，功能要求包括使用空间要求、使用要求以及美观要求，考虑构造选型时应满足这些功能要求。其中使用空间要求和使用要求即为上图中的物质功能，而美观要求即为精神功能。

所选择的构造形式的剖面形式应与建筑物使用空间的要求相适应，尽可能减小构造体系本身所占的空间高度，建筑的声学条件与构造的合理几何形体相结合，采光照明与构造的合理几何图形相结合，排水与构造的合理几何图形相结合。不同的使用功能要求不同的建筑空间，处理好建筑功能和建筑空间的关系，并选择合理的构造体系，自然形成建筑的外形。

综述，根据专家及工程经历最终总结出了大跨度建筑构造的根本因素中主要包括了平面空间形体、采光及通风、保温及隔热、与环境协调等。

大跨度选型深入研究因素

在满足了根本的建筑功能后，我们仍然会面临着很多的构造选择，这是因为

经过单纯建筑功能的选型是不够精准的，是仍然有很大的进步空间的。

我认为在这之后的选型才是现代建筑构造选型的关键之处，它可以将构造更完美化理想化。我将大跨度构造选型的其余的关键性因素主要分为了五点：造型美观，实用耐久，构造轻巧，受力合理，安装简便。下面我们一一研究。 1.造型美观

作为一名建筑学的学生，我把造型美观排在了第一位，因为这往往是我们在构造选型中最关心的问题。现在的大跨度建筑构造在造型上呈现出一种多远的状态，直面，曲面，不规那么面应有尽有，让不了解的人眼花缭乱。虽然复杂缭绕，但是大跨度建筑的造型审美还是有依据可循的。

首先，将大尺度的构造局部在造型上感性的感性的呈现出来。

在旧时代，也有一些大跨度的建筑，例如古罗马的万神庙的大穹顶，但是在那个时代，大跨度建筑构造往往都在立面上被弱化了，没有发挥出真正的造型价值。但是现在人们早就意识到，在大跨度建筑中，其大跨局部的外部造型不应只是简单地视为内部构造和空间的自然结果。由于人类对大尺度的事物有着本能的敬畏，在大跨度建筑的巨大体量面前，人感受到自己的渺小，同时感动于人类力量的伟大。大跨度建筑具有摄人心魄的力量，它带有崇高感的审美价值，要求其主体局部应以感性的方式充分地呈现出来。悉尼歌剧院是一个充分展现了大跨度构造的造型魅力而获得成功的实例。

其次，简洁是种美。

虽然构造体系和构造构件的设计都是建立在严格的受力计算根底之上的，但是着并不意味着建筑造型也要严格复杂而拘谨，美观的大跨度建筑设计作品也应在充分表达了构造形态的理性美的简洁大方。例如我们的水立方，身为极其复杂的膜构造大跨度建筑的代表，虽然力学计算复杂，建造也耗尽心思，但是它整体上有一种简洁的美，整体感强烈。

最后，新旧结合，创新常在，尝试仿生学。

建筑审美，在一定程度上是先验的，并不依赖于个体的主观感受而存在。然而审美价值还有依赖于人类经历的一面，它反映审美的社会属性与个体经历的差异。大跨度建筑的审美意象经常表达的语义内容有两类，一是，表达从自然界获得启示，用仿生方式进展演绎；二是，用再现并创新的审美“原型〞的方式传承地域文化。建筑师也认同：自然形态的美是合规律性与合目的性统一的典范。自然界也有许许多多令人惊叹的空间构造，如蛋壳、海螺等是薄壳构造；蜂窝是空间网格构造；肥皂泡是充气膜构造：蜘蛛网是索网构造；棕榈树叶是折板构造等等。因此，从某种意义上来说，空间构造是一种仿生构造，它们比平面构造更美观、经济和高效。

所以，我们的目标是把构造的型式与建筑的空间艺术形象融合起来，即构造本身富有美学表现力。自然界才是是创作的源泉。大跨度建筑在构造形式上的探索是多方面的，然而其根本原那么是从构造的力学特征出发，从几何学、仿生学和自然界中寻找启示。鸟巢就是自然形态美与钢构造的完美结合。 2.实用耐久

构造的使用耐久是一项既根本又有着很高要求的因素。本文认为实用耐久可主要分为一下二个方面：

一．与建筑造型结合严密有序合理，没有不必要的花俏构造。

所选择的构造形式的剖面形式应与建筑物使用空间的要求相适应，尽可能减小构造体系本身所占的空间高度，建筑的声学条件与构造的合理几何形体相结

合，采光照明与构造的合理几何图形相结合，排水与构造的合理几何图形相结合。不同的使用功能要求不同的建筑空间，处理好建筑功能和建筑空间的关系。做到构造的真正实用，好用。

二．对自然因素要有良好的抵御能力，例如台风，地震，火灾等。这点要求了构造的稳定性与各种抗性。我国曾经发生过很多建筑不合格的悲剧，楼歪歪楼倒倒之流尚且不算，作为大跨度建筑的桥梁也是频频出现问题。钢构造的刚度强度都很好，但是防火是个比拟严重的问题，所以为了追求大跨度建筑的耐久，要从构造和材料两方面入手。 3.构造轻巧

这一点主要是由大跨度构造本身的特性及建筑材料所决定的。新型技术和新型材料的运用都有效地使得构造越来越轻巧实用。

从外观上来分析，膜构造最为轻巧，很多膜构造的建筑都有一种轻薄飞翔的动态感。悬索构造多用在桥梁上，也看起来比拟飘逸而有韵律。但是相比之下，网壳薄壳相网架构造那么略显古老而呆板而厚实。

从材料上来研究，它们几乎都是钢构造，用钢量小的就是更为轻巧的。但是这一点不可一概而论,因为每一种构造的用钢量都是根据不同方案而具体设置的，所以，某种程度上来说，轻巧在外表上只是给人的一种视觉感官，在构造上是一种经济合理。 4.受力合理

大跨构造形式很多，如拱、悬索、薄壳等等。组成构造的材料有钢、木、砖、石、混凝土以及钢筋混凝土等。构造的合理性首先表现在组成这个构造的材料的强度能不能充分发挥作用。随着工程力学理论和建筑材料的开展，构造形式也不断的开展，用最少的材料获得最大的效果是人们一直追求的。应该选择能充分发挥材料性能的构造形式，合理的选用构造材料。

构造形式必须做到受力合理、传力明确，并不是复杂的构造就一定是最优的构造形式，应力求用简单的构造形式实现复杂的建筑外形。而现在对大跨度空间构造体系的公认的看法是，梁式构造体系是受力最差的体系。张拉整体体系—— “连续拉、连续压〞和索一膜体系是目前最先进、最经济的体系。

但是更为具体的受力分析显然不是我们建筑学学生所能阐述的清楚的，我们所能做到的就是掌握上表的构造的定义而特点，通过理解来得知构造最根本的受力传力途径，使之合理而有效。 5.安装简便

安装简便是保证大跨度建筑建造速度快，可以尽早投入使用的首要条件。 首先.先进施工技术是实现先进构造型式的前提，如果没有先进的施工技术，想要完成各种先进的构造形式是不可能的。例如：薄壳构造是一种薄壁空间构造，主要承受面内的薄膜内力作用，所以材料强度能得到充分的利用，同时由于它的空间作用，多以具有很高的轻度和很大的刚度。因此可以采用很薄的构造厚度来建造大跨度构造，自重轻、材料省。但在施工方面，如采用现浇的施工方法来实现薄壳构造有很大的局限性，最大的困难在于曲面模板消耗的工料多，施工速度慢。为了解决此问题，曾一度使用工具式移动模板来进展现浇薄壳施工，但此种施工方法只适用构造形式及断面尺寸不变的筒壳构造，有很大局限性。而装配式薄壳构造开展扫平了道路。

其次，建筑构造方案要密切与施工条件相结合。一方面，施工技术条件不具备或选用的构造方案不适应现有施工技术能力将给工程建立带来困难。另一方

面，选择构造型式时要结合施工工艺因素考虑工程的具体施工条件。同一种构造型式可以对应不同的施工工艺，这样就可以很有针对性的提高构造安装的简便性。

6.经济合理

我把经济合理放在了最后一个来研究，是因为现代社会在追求大跨度建筑构造的开展的时候，尤其是地标性建筑，这一条往往会被忽略得很彻底。不管是，愿意为创新交学费还是急于速成，忽略经济本钱的做法总归不是长久之计，所以经济还是很重要的一项选型因素。

对大跨度构造来说，材料用量多，不仅是一个浪费，而且对构造的抗震，特别是竖向抗震极为不利．所以对优秀的大跨度空间构造来说，在平安的前提下，经济合理是应该得到特别强调与注意的。而经济合理主要有以下三点：

第一，不但要考虑某个构造方案付诸实施时的一次投资费用，还要考虑其全寿命期费用；

第二，除了以货币指标核算构造的建造本钱外，还要从节省材料消耗和节约劳动力等各项指标来衡量，此外，从可持续开展的角度来考虑，还要特别考虑资源的节约；

第三，某些生产性建筑假设能早日投产交付使用，可以较快地回收投资资金．更能得到较好的经济效益。因此在构造方案比拟时还应综合考虑一次性开发初始投资和建立速度之间的关系。

我国在这方面还有很长的路需要走。例如由世界著名设计师扎哈-哈迪德主持设计的广州市歌剧院，由于采用钢一钢砼混合构造，而不是选择更加新型而经济的构造，导致预计用钢量将超过12000吨，相当于北京国家大剧院穹顶用钢量6750吨的两倍，很不经济。

结语

综上所述，大跨度构造选型实在是一个很复杂而多元的建筑研究问题。经过以上小小的讨论与分析，我们也对其有了进一步深入的了解。它不单纯是构造问题，而是一个综合性的科学问题。一个优秀的建筑物，建筑与构造必然是有机结合的统一体。它的主要研究因素包括了造型美观，构造轻巧，受力合理，安装筒便，经济合理，实用耐久等。

大跨度空间构造虽然种类很多，样式丰富，但是它们几乎都是钢构造，科技含量非常高，而达成以上构造选型根本因素和深入因素只是比拟根底的构造选型。要真正设计好一个大跨度空间构造建筑，不仅仅需要很好的构造选型能力，还需要建筑师和构造工程师的合作到达配合默契的程度。希望在建筑设计各方面突飞猛进的同时，建筑构造在架构选型的引导下，越来越先进而美观。

参考文献

[1].叶献国.建筑构造选型概论[M].武汉：武汉理工出版社，2003 [2].王仕统.大跨度空间构造的进展[J]．华南理工大学学报，1996，(1O)：1—8． [3].王力，张世海，吕大刚等．大跨空间构造选型的方案评价方法[J].哈尔滨工业大学学报，2004,36(4):477—479．

[4].常健，邓中美.大跨度建筑的外观形式与构造体系[J].建筑科技，2002，12 [5].谢兆鉴，陈眼云.建筑构造选型[M].华南理工大学出版社，1990